地铁高清视频监控系统传输解决方案

#/5高清时代来临，高清数字图像在图像清晰度和细节方面也得到很大提升。监控系统后端的图像智能分析、图像智能处理正需要这样的高质量图像源。与高质量的图像源相对应的是高传输码流，传输非压缩的1080px60fps的高清图像需要占用"97Gbps的带宽。对于一个监控系统，往往需要对多个点进行监控，实时传输各个点的数字高清视频时，带宽占用非常大，基本无法传输。如何降低带宽，各个制造商大都采用有损压缩方法。比如采用H.264压缩算法的网络摄像机，使用100M网络传输，传输码流为32K~4Mbps。这样虽能大大降低高清图像传输占用的带宽，但是带来的负面影响是：1、"图像质量大大下降，图像模糊，细节看不清，监控系统后端图像处理及分析能力也会大打折扣;2、"传输图像时延严重，图像压缩速度取决于编解码系统速度和图像大小，高清数字图像压缩需耗费大量时间;网络传输速度取决网络拓扑和带宽情况，当网络堵塞时，基本无法传输。对实时传送已无意义。要实现真正意义上的高清数字视频监控，必须传输无损高清数字视频。本文以某地铁的高清视频传输为例，对于1080p的高清数字视频无损传输解决方案做分析。高清时代地铁监控需求分析在控制中心端，有大量高码率的数据输入输出。发送给每个站点的高清1080p的高清数字多媒体，以及每个站点的8路高清数字摄像头传入的高清监控视频图像，都属于高清数字信号。在各个站点，接受并显示控制中心传输来的高清数字多媒体信息。并传回每个监控点的高清数字视频。此地铁系统共具有15个地铁站点，每个地铁站点8路高清图像，共90路高清图像。控制服务中心8台高清监视器（电视墙），可同时观看15个站90路高清图像中的任意8路。整体规划真正意义的高清监控是非压缩实时传输、无时延显示高清图像信号。整个环节都要保持高清数字指标，因此对于各个环节的选择有如下要求。摄像机：传统摄像机采用CMOS的感光芯片，经过ISP处理，输出模拟CVBS信号，不满足高清要求。必须使用高清CMOS的图像传感器，输出非压缩高清数字信号，如SDI，HDMI等。可选择不仅输出SDI非压缩高清数字信号，同时还具有原始图像信息的RVF(RawVideoFormats)非压缩视频格式的光接口输出的百万高清摄像机。传输设备：高清数字视频信号由于码流很高，输出距离受到很大局限，比如SDI信号，在保持信号完整性，最大不过100米。所以要求传输设备即要保持高清数字信号的无损传输，又要达到长距离的传输。采用传输码流达"125Gbps的数字光传输设备，在单芯单波长的光纤里能够无损传输不小于40Km的距离。传输码流达1OGbps的数字光传输设备，在单芯单波长的光纤里能够无损传输不小于40Km的距离。传输线缆：非压缩高清数字图像信号经传统同轴电缆，双绞线等长距离传送方式已不可能。所以传输线缆必须是光缆，一般8芯光缆基本能完成一般监控系统的需智能设备：如图像识别等系统，应具有高清图像的输入接口，能进行高清视频分析的能力。存储设备：如DVR，必须具有1路或者多路高清数字视频输入接口，具有压缩存储高清数字视频功能，具有高清视频的回放功能。监视设备：一般的监控监视器都不支持高清数字视频，应提升到完全支持1080p*60fps的高清格式显示。传输系统所示，每一路摄像机采用百万高清数字摄像机，输出12bit、746."496Mbps的1080p非压缩数字图像。共传输90路高清数字视频。带宽为90x746."496Mbps=67."18464Gbps。鉴于控制中心最大能同时观看8路高清数字视频，所以不必要同时传输90路，只需同时传输8路就足够了。各个站点本地实时存储本站点的8路高清视频。这样带宽就降低到8x746."496Mbps=5."971968Gbps。采用节点式环形网光传输，占用1-5芯光纤。高清多媒体传输采用节点时光传输，传输的是1080px60fps的多媒体图像信息，故只需要2."97Gbps就足够。占用1芯光纤。其它上下行数据业务属于低码流数据，采用节点式环形网光传输，占用1-2芯光纤。因此，三方合起来一条8芯光缆就能满足这个系统的要求。传输难点及解决方案HD-SDI摄像机输出是高清数字非压缩信号，当HD-SDI摄像机推入市场时，就经常出现“传输距离太短”的质疑。如果采用HDMI传输也只有几十米，就算使用中继放大也只能最多达100米，而且HDMI是3路数据传输，若传输距离长，就会出现3路数据不同步，引起重影、偏色等诸多问题。这种质疑严重影响了工程商在监控系统中采用HD-SDI摄像机的热情。因此，部分制造商放弃无压缩高清监控，降低监控质量，放弃实时性，而采用有损压缩的百万高清网络摄像机使用网络传输;而另一部分则着重研究传输问题，除了开发3G-SDI的产品用传输速率来增加传输距离外，同时也在HD-TX芯片上以FPGA设计架构采用无损压缩技术降低带宽，将距离增加到300米，同时也可藉由在同轴或UTP缆在线材质上128/168/192编织上对高频损失的优劣条件选用，来降低线路上的损失及延长高清HD-SDI的信号传输距离。目前最普遍的是，HD-SDI通过转Fiber的光端机转换为光纤电缆传送，同时为了能满足多路的HD-SDI信号的单向或双向传送，光端机也有以WDM/DWDM/CWDM等多波长分频方式的传输，达成一路以上的HD-SDI光纤信号载送传输要求，这可以让HD-SDI摄像机信号传输达到20-80公里。由于传输的是非压缩高清数字视频，一路1080px60fps的高清数字视频需占用2."97Gbps带宽。光纤传输理论上传输带宽没有上限，但是传输处理单元，包括光模块，收发器芯片等等，远远落后于光纤理论传输带宽。如今的万兆网的光纤传输带宽也只是达到lOGbps，像这样的lOGbps带宽也只能传输3路非压缩高清数字视频。因此，必须在高清视频源头找解决方案。以无损降低高清数字视频源码流的方式来降低传输带宽。码流为2."97Gbps的1080p的高清视频，若采用12Bit的RVF格式，码流仅为746."496Mbps，大大降低带宽。传输带宽为lOGbps的单芯光纤，可以传输lOGbps三746."496Mbps=13路百万高清数字摄像机的高清数字视频。采用多芯单波长或者单芯多波长的光缆，即能完全满足高清传输的要求。节点式环形高清数字传输特点本文中的某地铁高清传输案例，主要有以下几个特点：采用单芯单波长光纤传送多路RVF格式高清监控视频，解决了无损多路高清数字视频监控无法传输的问题。不仅降低布多条光缆的费用。而且在现有的光缆基础上轻松升级，实现真正的高清数字视频监控。环形光纤网络的自愈功能，当某节点断路时，光通路自动切换到另一种环形网络拓扑。增强了系统的安全性。降低系统硬件的故障率。各个站点采用高清数字视频多业务交换平台。平台拥有8路lOGbps光传输通路，可动态插入和撤销1-8路高清数字监控视频。1路高清数字视频监视，可监视本地视频，也可监视光通道内lOGbps高清数字视频光传输流内任意一路视频。8路高清视频存储及回放，回放时，回放视频插入lOGbps高清数字视频光传输流。下行数据流经解包、分配到各个终端，各终端的上行数据